深入了解C语言中的结构体类型与内存对齐

引言：

在C语言中，结构体是一种自定义的数据类型，它允许我们将不同类型的数据组合在一起，形成一个新的数据类型。结构体的使用为我们解决了一些复杂数据的表示和处理问题，不仅限于单单的整型或者字符。本文将深入探讨结构体类型、结构体变量的创建和初始化，并详细介绍结构体中的内存对齐规则。

1.结构体类型

结构体类型是由不同类型的数据成员组成的集合，其中每个数据成员可以是任意类型的数据，包括基本数据类型、数组、指针、其他结构体等。结构体类型的定义使用关键字"struct"。

1.1 结构体的声明

形式如下：

struct tag
{member-list; // 成员列表
};

举例：描述一个学生

struct student
{char name[20]; // 名字 int age; // 年龄 char sex[5]; // 性别char id[20]; // 学号
}; // 注意分号不要遗忘

1.2 结构体的创建和初始化

  • 结构体可以在声明的同时创建
struct student
{char name[20]; // 名字 int age; // 年龄 char sex[5]; // 性别char id[20]; // 学号
}stu; // 这样就在声明的同时创建了一个struct student类型的变量stu
  • 结构体也可以声明完后再创建
struct student
{char name[20]; // 名字 int age; // 年龄 char sex[5]; // 性别char id[20]; // 学号
};int main()
{struct student stu; // 这样也是创建了一个struct student类型的变量stureturn 0;
}
  • 结构体的初始化
struct Stu
{char name[20];//名字 int age;//年龄 char sex[5];//性别 char id[20];//学号 
};int main()
{//按照结构体成员的顺序初始化 struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };printf("name: %s\n", s.name);printf("age : %d\n", s.age);printf("sex : %s\n", s.sex);printf("id : %s\n", s.id);//按照指定的顺序初始化 struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "女" };printf("name: %s\n", s2.name);printf("age : %d\n", s2.age);printf("sex : %s\n", s2.sex);printf("id : %s\n", s2.id);return 0;
}
  • 输出结果：
    在这里插入图片描述

1.3 访问结构体成员

  • 结构体指针变量成员的访问：
struct student
{char name[20]; // 名字 int age; // 年龄 char sex[5]; // 性别char id[20]; // 学号
};int main()
{struct student* stu = (struct student*)malloc(sizeof(struct student));stu->age = 18;printf("age : %d\n", stu->age); // 只有指针能用箭头访问成员(*stu).age = 20;printf("age : %d\n", (*stu).age); // 必须要加（），因为.的优先级高于*return 0;
}
  • 输出结果：
    在这里插入图片描述
    只有指针能用箭头->访问成员。
  • 非指针的结构体成员的访问
struct student
{char name[20]; // 名字 int age; // 年龄 char sex[5]; // 性别char id[20]; // 学号
};int main()
{struct student stu;stu.age = 18;printf("age : %d\n", stu.age);return 0;
}
  • 输出结果：
    在这里插入图片描述
    非指针的结构体只能通过.访问成员。

1.4 小技巧

当我们需要多次使用结构体时，我们可以通过重命名结构体变量来减少代码量

  • 可以在声明结构体类型的时候重命名：
typedef struct student
{char name[20]; // 名字 int age; // 年龄 char sex[5]; // 性别char id[20]; // 学号
}student;int main()
{student stu; // 这样创建的变量是和struct student一个类型的，但是可以一定程度减少代码量return 0;
}
  • 也可以声明后重命名
struct student
{char name[20]; // 名字 int age; // 年龄 char sex[5]; // 性别char id[20]; // 学号
};typedef struct student student; // 将struct student重命名为studentint main()
{student stu; // 这样创建的变量是和struct student一个类型的，但是可以一定程度减少代码量return 0;
}

1.5 结构的特殊声明

  • 在声明结构的时候，可以不完全的声明。
//匿名结构体类型 
struct
{int a;char b;float c;
}x;struct
{int a;char b;float c;
}a[20], *p;

上⾯的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。

那么此时有一个问题，如下的代码合法吗？

p = &x;
  • 警告：
    • 编译器会把上⾯的两个声明当成完全不同的两个类型，所以是⾮法的。
    • 匿名的结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能使⽤⼀次。

1.6 结构体的自引用

在链表和二叉树中常常用到这样一种结构：

typedef struct Node
{struct Node* next; // 结构体指针可以指向下一个节点int data;
}Node;

当我们对结构体指针next赋值时，我们就可以通过next找到它指向的下一个结构体变量节点

  • 注意：
    • 以下形式是非法的：
typedef struct Node
{Node* next; // 此时struct Node 还没有重命名为Node ，所以不能使用Node自引用int data;
}Node;

2.结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使⽤了。
现在我们深⼊讨论⼀个问题：计算结构体的⼤⼩。
这也是⼀个特别热⻔的考点： 结构体内存对⻬。

2.1 对齐规则

⾸先得掌握结构体的对⻬规则：

1.结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为 0 的地址处

2.其他成员变量要对⻬到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。

  • 对⻬数 = 编译器默认的⼀个对⻬数与该成员变量⼤⼩的较⼩值。
  • VS中对齐数默认的值为 8
  • Linux中gcc没有默认对⻬数，对⻬数就是成员⾃⾝的⼤⼩

3.结构体总⼤⼩为最⼤对⻬数（结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的整数倍。

4.如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对⻬到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处，结构体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。

2.1.1 内存对齐例题

下面例题均在VS环境下

题目1：

struct S1 // 计算该结构体大小
{char c1;int i;char c2;
};

解析：

在这里插入图片描述

题目2：

struct S2 // 计算该结构体大小
{char c1;char c2;int i;
};

解析：

在这里插入图片描述

题目3：

struct S3 // 计算该结构体大小
{double d;char c;int i;
};

解析：

在这里插入图片描述

题目4：

struct S4 // 计算该结构体大小
{char c1;struct S3 s3; // 题目3中的结构体double d;
};

解析：

在这里插入图片描述

2.2 为什么存在内存对⻬?

大部分的参考资料都是这样说的：

  1. 平台原因(移植原因)：
    不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

  2. 性能原因：
    数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在⾃然边界上对⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要作两次内存访问；⽽对⻬的内存访问仅需要⼀次访问。假设⼀个处理器总是从内存中取 8 个字节，则地址必须是 8 的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对⻬成 8 的倍数，那么就可以⽤⼀个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执⾏两次内存访问，因为对象可能被分放在两个 8 字节内存块中。

  • 总体来说：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。

  • 所以我们在设计结构体的时候，尽量让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起，这样既可以满⾜对⻬，⼜可以节省空间。

例如：

struct S1
{char c1;int i;char c2;
}; // 12 bytestruct S2
{char c1;char c2;int i;
}; // 8 byte

S1 和 S2 类型的成员⼀模⼀样，但是 S2 占的空间比 S1 要小。

2.3 修改默认对⻬数

结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对⻬数。

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1 struct S
{char c1;int i;char c2;
};#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认 int main()
{//输出的结果是什么？ printf("%d\n", sizeof(struct S));return 0;
}
  • 输出结果：
    在这里插入图片描述
    如果不修改默认对齐数，则结果为 12 。

3.结构体传参

struct S
{int data[1000];int num;
};struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};//结构体传参 
void print1(struct S s)
{printf("%d\n", s.num);
}//结构体地址传参 
void print2(struct S* ps)
{printf("%d\n", ps->num);
}int main()
{print1(s); //传结构体 print2(&s); //传地址 return 0;
}

上⾯的 print1 和 print2 函数哪个好些？
——答案是：⾸选 print2 函数。

原因：

  • 函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。
  • 如果传递⼀个结构体对象的时候，结构体过⼤，参数压栈的的系统开销⽐较⼤，所以会导致性能的下降。

结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。

结语：

通过本文的介绍，我们了解到了C语言中结构体类型的定义和使用方法，以及结构体变量的创建和初始化。同时，我们还详细讲解了结构体中存在的内存对齐规则，帮助我们更好地理解结构体在内存中的存储方式。结构体在C语言中的应用非常广泛，掌握了结构体的基本用法及内存对齐规则，有助于我们写出更加高效、灵活的程序代码。

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